專利名稱：一種激光輔助祛除殘余應力的整體葉輪葉片的半精加工方法
技術領域：
本發明涉及一種用于半開離心式整體葉輪的加工方法，具體涉及一種激光輔助祛除殘余應力的整體葉輪葉片的半精加工方法，屬于機械切削加工制造技術領域。
背景技術：
葉輪是航空航天器件中復雜曲面加工的典型零件，在傳統的銑削過程中不可避免地會產生大量切削熱，從而在葉片表面引起殘余拉應力，導致微裂紋的出現，降低整體葉輪的使用壽命。由于葉輪葉片側壁薄，薄壁葉片在應力釋放后極易產生變形，從而降低了葉輪制造精度。近年來，我國對葉輪制造加工技術開展了廣泛研究，公開號為CN101590587 的中國專利申請提出了一種整體葉輪的加工方法，基本滿足了加工質量；公開號為 CN101658999A的中國專利申請提出了一種雙葉片閉式葉輪加工工藝，該加工工藝能夠大幅減輕葉輪的實際重量，并降低產品成本；公開號為CN102218649A的中國專利申請采用常規的四軸立式加工中心對曲面風力整體葉輪進行精確曲面加工，達到生產成本低、加工效率高的效果；公開號為CN102085576A的中國專利申請提出了一種整體葉輪葉片部分五軸聯動變軸插銑數控加工的方法，提高了生產效率；公開號為CN1600485A的中國專利申請公開了一種高強度葉輪焊接及消除應力方法，該方法雖然能減少焊接后的殘余應力，但需要把葉輪放入爐膛中進行熱處理。所有上述專利都無法解決葉輪葉片加工中由于切削熱引起的殘余拉應力在釋放后導致葉片發生變形及葉片表面出現微裂紋等問題，隨著我國航空航天制造業的飛速發展，急需一種實時祛除殘余應力的整體葉輪葉片的機械切削加工方法。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對現有技術的不足，提供一種激光輔助祛除殘余應力的整體葉輪葉片的半精加工方法，在銑削加工前先采用激光束對葉輪葉片表面進行激光噴丸強化處理，使先后兩工序分別產生的殘余壓應力與殘余拉應力相互抵消，有效地控制葉輪葉片在應力釋放后產生的變形并減少微裂紋的產生。本發明是通過以下技術方案來解決其技術問題的一種激光輔助祛除殘余應力的整體葉輪葉片的半精加工方法，其特征在于在熱處理工序之后和常規半精加工工序之前，采用脈沖激光束對葉輪葉片表面進行激光噴丸強化處理，隨后對葉輪葉片表面進行銑削加工，去除激光噴丸強化處理所引起的表面變形層。本發明所述的激光輔助祛除殘余應力的整體葉輪葉片的半精加工方法包括如下步驟(1)在待加工的整體葉輪葉片的圓弧上取十等分點，逐點測定殘余應力大小，取其平均值作為后續激光強化的殘余應力補償值；(2)將待加工的整體葉輪裝夾在數控加工中心的工作臺上，在待加工的葉輪葉片說明書
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表面噴涂黑漆，作為激光噴丸強化的吸收層；(3)將銑刀裝夾在數控加工中心的主軸上，將激光頭安裝在數控加工中心上并使之與所述整體葉輪葉片無干涉，該激光頭照射形成的光斑落在葉輪葉片表面上且與銑刀保
持一距離；(4)開啟激光器，將步驟⑴所得殘余應力補償值作為目標值，設定相應的激光的脈沖寬度、功率密度和光斑大小；(5)啟動數控加工中心，沿葉輪葉片的表面先后進行激光噴丸強化和銑削加工，銑削去除激光噴丸強化處理所引起的表面變形層。所述數控加工中心為高精度五軸聯動數控加工中心；所述整體葉輪葉片的材質為鎳基高溫合金，厚度為0. 5-2. 5cm,曲面光滑，無應力集中。所述步驟(3)中，銑刀為整體硬質合金立銑刀，激光頭的光軸與數控加工中心的主軸形成60°角度，激光頭的光斑與銑刀的距離為5-lOcm;所述步驟中，脈沖寬度為 10ns、功率密度為7X109GW/cm2，光斑大小為5mm;所述步驟(5)中，激光頭與銑刀的進給速度相同，銑削為順銑方式并采用水基切削液。本發明的有益效果是所述激光輔助祛除殘余應力的整體葉輪葉片的半精加工方法首先采用脈沖激光束對待加工鎳基高溫合金葉輪葉片表面進行激光噴丸強化處理，再采用銑刀對葉片表面進行銑削加工，去除激光噴丸強化處理所引起的表面變形層，使激光噴丸強化處理工序產生的殘余壓應力與銑加工時切削力-熱耦合作用引起的殘余拉應力相互抵消，從而有效地控制薄壁葉片在應力釋放后產生的變形，并且減少微裂紋的產生，使加工后的整體葉輪葉片具有良好的穩定性和可靠性。實踐證明，按照本發明所述方法對GH4169鎳基高溫合金葉輪的長葉片半精加工后，采用X-350A型X射線衍射儀測得，上述整體葉輪葉片的圓弧上十等分點處的平均殘余應力值從402ΜΙ^減少到71MPa，最大變形量從0. 032降低到0. 019，大幅度減少了葉片半精加工后的殘余拉應力和最大變形量。
圖1為被加工的整體葉輪的示意圖。圖2為本發明的加工示意圖。圖3為圖2的側視圖。其中，1長葉片，2短葉片，3葉輪葉片，4銑刀，5激光頭，6光斑。
具體實施例方式本發明是用于半開離心式整體葉輪的激光輔助祛除應力的加工方法，被加工的整體葉輪如圖1所示，其輪面上設有弧形的長葉片1和短葉片2。該整體葉輪的材質為鎳基高溫合金，葉片厚度為0. 5-2. 5cm,曲面光滑，無應力集中。所述的激光輔助祛除殘余應力的整體葉輪葉片的半精加工方法的內容是在熱處理工序之后和常規半精加工工序之前，采用脈沖激光束對葉輪葉片表面進行激光噴丸強化處理，隨后對葉輪葉片表面進行銑削加工，去除激光噴丸強化處理所引起的表面變形層。從而達到使先后兩工序分別產生的殘余壓應力與殘余拉應力相互抵消，有效地控制葉片在應力釋放后產生的變形并減少微裂紋產生的效果。下面結合實施例和附圖對本發明做進一步的說明，闡述所述方法各個步驟的詳細內容。請結合參閱圖2和圖3，本發明所述的激光輔助祛除殘余應力的整體葉輪葉片的半精加工方法包括如下步驟(1)在待加工的整體葉輪葉片3的圓弧上取十等分點，逐點測定殘余應力大小，取其平均值作為后續激光強化的殘余應力補償值。(2)將待加工的整體葉輪裝夾在數控加工中心的工作臺上，在待加工的葉輪葉片 3表面噴涂黑漆，作為激光噴丸強化的吸收層，其中，數控加工中心為高精度五軸聯動數控加工中心。(3)將銑刀4裝夾在數控加工中心的主軸上；將激光頭5安裝在數控加工中心上， 使激光頭5與所述整體葉輪葉片3無干涉，并且激光頭5的光軸與數控加工中心的主軸形成60°角度，該激光頭5照射形成的強化光斑6落在葉輪葉片3的表面上，并且與銑刀4保持5-lOcm的距離；其中，銑刀4為整體硬質合金立銑刀。(4)開啟激光器，將步驟(1)所得殘余應力補償值作為目標值，設定相應的激光的脈沖寬度、功率密度和光斑大小，其中，脈沖寬度為10ns、功率密度為7X109GW/cm2，光斑大小為5mm ο(5)啟動數控加工中心，沿葉輪葉片3弧形的表面先后進行激光噴丸強化和銑削加工，整體硬質合金立銑刀4以側銑方式銑削去除激光噴丸強化處理所引起的表面變形層；加工過程中，激光頭5與銑刀4的進給速度相同，銑削為順銑方式并采用水基切削液。本發明具有如下特點 1、所述方法能夠實現對任意輪廓曲面進行連續加工。2、激光噴丸強化的黑漆吸收層以及在葉片表面產生的變形能夠在后續的銑加工中去除，并未降低葉片的表面質量。3、后續的精加工由于切除余量小，故對整體葉輪葉片表面的質量影響不大。4、采用順銑和水基切削液控制切屑飛減，以免影響激光噴丸強化效果，并作為激光噴丸強化處理的約束層。5、激光輔助祛除殘余應力屬于激光冷加工方法，脈沖時間短，無熱量產生。以下為
具體實施例方式待加工的整體葉輪的材質為GH4169鎳基高溫合金葉輪，其長葉片1沿表面弧線方向上厚度為1. 0-1. 9mm不等，長葉片1最大高度為18mm。加工在高精度五軸聯動數控加工中心上進行，銑刀4采用直徑12mm，螺旋角30°的四刃硬質合金整體錐度銑刀。在熱處理工序之后和常規半精加工工序之前，應用本發明進行加工的過程如下(1)在待加工的整體葉輪葉片3的圓弧上取十等分點，逐點測定殘余應力大小，取其平均值作為后續激光強化的殘余應力補償值，測量得到殘余應力的平均值為402MPa，最大變形量為0. 032mm。(2)將待加工的整體葉輪裝夾在高精度五軸聯動數控加工中心的工作臺上，在待加工的葉輪葉片3表面噴涂黑漆，作為激光噴丸強化的吸收層。(3)將整體硬質合金立銑刀4裝夾在高精度五軸聯動數控加工中心的主軸上；將激光頭5安裝在高精度五軸聯動數控加工中心上，使激光頭5與所述整體葉輪的各葉片3 不發生干涉，并且激光頭5的光軸與高精度五軸聯動數控加工中心的主軸軸線形成60°角度，該激光頭5照射形成的強化光斑6落在葉輪葉片3的表面上，并且與整體硬質合金立銑刀4保持IOcm的距離。(4)開啟激光器，將步驟(1)所得殘余應力補償值402MI^作為目標值，設定相應的激光噴丸強化參數為能量10J、波長1064nm、光斑大小5mm、脈沖寬度10ns、功率密度 7X109GW/cm2、重復頻率 10Hz。(5)啟動高精度五軸聯動數控加工中心，沿葉輪葉片3弧形的表面先進行激光噴丸強化，后進行銑削加工，整體硬質合金立銑刀4以側銑方式銑削去除激光噴丸強化處理所引起的表面變形層；加工過程中采用水基切削液和順銑方式，以防止切屑飛濺影響強化效果；激光頭5與銑刀4的進給速度相同，切削參數為切削速度50m/min、進給速度350mm/ min、主軸轉速4200r/min、徑向切深0. 3mm。按本發明方法對GH4169鎳基高溫合金葉輪的長葉片1半精加工后，采用X-350A 型X射線衍射儀測得上述十等分點處的平均殘余應力值從402MPa減少到71MPa，最大變形量從0. 032降低到0. 019，大幅減少了長葉片1半精加工后的殘余拉應力與最大變形量。本發明采用脈沖激光束對待加工鎳基高溫合金葉輪葉片表面進行激光噴丸強化處理，再采用銑刀對葉片表面進行銑削去除激光噴丸強化處理所引起的表面變形層，使激光噴丸強化處理工序產生的殘余壓應力抵消銑加工時切削力-熱耦合作用引起的殘余拉應力，從而有效地控制薄壁葉片在應力釋放后產生的變形，并且減少微裂紋的產生，使加工后的整體葉輪葉片具有良好的穩定性和可靠性。本發明適用于各種結構復雜葉輪葉片的祛除應力機械切削加工。
權利要求
1.一種激光輔助祛除殘余應力的整體葉輪葉片的半精加工方法，其特征在于在熱處理工序之后和常規半精加工工序之前，采用脈沖激光束對葉輪葉片表面進行激光噴丸強化處理，隨后對葉輪葉片表面進行銑削加工，去除激光噴丸強化處理所引起的表面變形層。
2.根據權利要求1所述的激光輔助祛除殘余應力的整體葉輪葉片的半精加工方法，其特征在于所述方法包括如下步驟(1)在待加工的整體葉輪葉片的圓弧上取十等分點，逐點測定殘余應力大小，取其平均值作為后續激光強化的殘余應力補償值；(2)將待加工的整體葉輪裝夾在數控加工中心的工作臺上，在待加工的葉輪葉片表面噴涂黑漆，作為激光噴丸強化的吸收層；(3)將銑刀裝夾在數控加工中心的主軸上，將激光頭安裝在數控加工中心上并使之與所述整體葉輪葉片無干涉，該激光頭照射形成的光斑落在葉輪葉片表面上且與銑刀保持一距離；(4)開啟激光器，將步驟(1)所得殘余應力補償值作為目標值，設定相應的激光的脈沖寬度、功率密度和光斑大小；(5)啟動數控加工中心，沿葉輪葉片的表面先后進行激光噴丸強化和銑削加工，銑削去除激光噴丸強化處理所引起的表面變形層。
3.根據權利要求2所述的激光輔助祛除殘余應力的整體葉輪葉片的半精加工方法，其特征在于所述步驟(3)中，激光頭的光軸與數控加工中心的主軸形成60°角度，激光頭的光斑與銑刀的距離為5-lOcm。
4.根據權利要求2所述的激光輔助祛除殘余應力的整體葉輪葉片的半精加工方法，其特征在于所述步驟⑷中，脈沖寬度為10ns、功率密度為7X109GW/cm2，光斑大小為5mm。
5.根據權利要求2所述的激光輔助祛除殘余應力的整體葉輪葉片的半精加工方法，其特征在于所述步驟(5)中，激光頭與銑刀的進給速度相同。
6.根據權利要求2所述的激光輔助祛除殘余應力的整體葉輪葉片的半精加工方法，其特征在于所述步驟(3)中，銑刀為整體硬質合金立銑刀。
7.根據權利要求2所述的激光輔助祛除殘余應力的整體葉輪葉片的半精加工方法，其特征在于所述步驟(5)中，銑削為順銑方式并采用水基切削液。
8.根據權利要求2所述的激光輔助祛除殘余應力的整體葉輪葉片的半精加工方法，其特征在于所述數控加工中心為高精度五軸聯動數控加工中心。
9.根據權利要求1所述的激光輔助祛除殘余應力的整體葉輪葉片的半精加工方法，其特征在于所述整體葉輪葉片的材質為鎳基高溫合金，厚度為0. 5-2. 5cm,曲面光滑，無應力集中。
全文摘要
本發明公開了一種激光輔助祛除殘余應力的整體葉輪葉片的半精加工方法，其在熱處理工序之后和常規半精加工工序之前，采用脈沖激光束對待加工整體葉輪葉片表面進行激光噴丸強化處理，再銑削去除激光噴丸強化處理所引起的表面變形層，使先后兩工序分別產生的殘余壓應力和殘余拉應力相互抵消，從而有效地控制葉片在應力釋放后產生的變形，并且減少微裂紋的產生，使加工后的整體葉輪葉片具有良好的穩定性和可靠性。本發明適用于各種結構復雜葉輪葉片的祛除應力機械切削加工。
文檔編號C21D7/06GK102528404SQ201210037309
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月17日 優先權日2012年2月17日
發明者安慶龍, 李軍利, 牛秋林, 王呈棟, 陳明 申請人:上海交通大學